أكسيد الحديد: الهيكل ، الخصائص ، التسمية ، الاستخدامات - كيمياء - 2026

و أكسيد الحديد أي من المركبات التي تشكلت بين الحديد والأكسجين. تتميز بكونها أيونية وبلورية ، وهي نتاج مبعثر لتآكل معادنها ، مكونة التربة ، والكتلة النباتية ، وحتى الجزء الداخلي من الكائنات الحية.

ومن ثم فهي إحدى عائلات المركبات التي تسود قشرة الأرض. ما هم بالضبط؟ هناك ستة عشر أكاسيد حديد معروفة حتى الآن ، معظمها من أصل طبيعي والبعض الآخر يتم تصنيعه في ظل ظروف شديدة من الضغط أو درجة الحرارة.

المصدر: خمسة سابع ، فليكر.

يظهر جزء من مسحوق أكسيد الحديديك في الصورة أعلاه. يغطي لونه الأحمر المميز الحديد من عناصر معمارية مختلفة فيما يعرف بالصدأ. وبالمثل ، لوحظ في المنحدرات أو الجبال أو التربة ، مختلطة مع العديد من المعادن الأخرى ، مثل المسحوق الأصفر من الجيوثايت (α-FeOOH).

أشهر أكاسيد الحديد المعروفة هي الهيماتيت (α-Fe ₂ O ₃) و maghemite (ϒ- Fe ₂ O ₃) ، وكلاهما متعدد الأشكال من أكسيد الحديديك ؛ وليس آخرًا أكسيد الحديد الأسود (Fe ₃ O ₄). إن هياكلها متعددة الأشكال ومساحة سطحها الكبيرة تجعلها مواد مثيرة للاهتمام مثل المواد الماصة ، أو لتخليق الجسيمات النانوية ذات التطبيقات الواسعة.

بناء

المصدر: Siyavula Education، Flickr.

الصورة العلوية عبارة عن تمثيل للتركيب البلوري للحديد O ، أحد أكاسيد الحديد حيث يكون للحديد تكافؤ +2. المجالات الحمراء تتوافق مع O ^2- الأنيونات ، في حين أن تلك الصفراء إلى الحديد ²⁺ الكاتيونات. لاحظ أيضا أن كل الحديد ²⁺ تحيط به ستة O ^2- ، وتشكيل وحدة ثماني السطوح التنسيق.

لذلك ، يمكن "تقسيم" بنية الحديد O إلى وحدات FeO ₆ ، حيث تكون الذرة المركزية هي Fe ²⁺. في حالة الأوكسي هيدروكسيدات أو الهيدروكسيدات ، تكون وحدة الاوكتاهدرا هي FeO ₃ (OH) ₃.

في بعض الهياكل ، بدلاً من المجسم الثماني ، توجد وحدات رباعية السطوح ، FeO ₄. لهذا السبب ، عادةً ما يتم تمثيل هياكل أكاسيد الحديد بواسطة ثماني الأوجه أو رباعي السطوح مع مراكز الحديد.

تعتمد هياكل أكاسيد الحديد على ظروف الضغط أو درجة الحرارة ، وعلى نسبة الحديد / الأكسجين (أي عدد الأكسجين الموجود لكل حديد والعكس صحيح) وعلى تكافؤ الحديد (+2 ، +3 ، جدًا نادرا في الأكاسيد الاصطناعية ، +4).

وبصفة عامة، O ضخمة ^2- الأنيونات تصطف إلى أوراق شكل الذي إيواء الحديد الفراغات ²⁺ أو الحديد ³⁺ الكاتيونات. وبالتالي ، هناك أكاسيد (مثل أكسيد الحديد الأسود) لها مكاوي مع كلا التكافؤين.

تعدد الأشكال

تقدم أكاسيد الحديد تعدد الأشكال ، أي هياكل مختلفة أو ترتيبات بلورية لنفس المركب. يحتوي أكسيد الحديد ، Fe ₂ O ₃ ، على ما يصل إلى أربعة أشكال متعددة ممكنة. الهيماتيت ، α-Fe ₂ O ₃ ، هو الأكثر استقرارًا على الإطلاق ؛ يليه maghemite ، ϒ- Fe ₂ O ₃ ، ثم الصناعي β- Fe ₂ O ₃ و ε- Fe ₂ O ₃.

لديهم جميعًا أنواعهم الخاصة من الهياكل والأنظمة البلورية. ومع ذلك، فإن نسبة 2: 3 بقايا ثابت، لذلك هناك ثلاثة O ^2- الأنيونات لكل سنتين الحديد ³⁺ الكاتيونات. يكمن الاختلاف في كيفية تواجد وحدات FeO ₆ ثماني السطوح في الفضاء وكيفية توصيلها.

روابط هيكلية

المصدر: ملفات المجال العام

يمكن تصور وحدات الاوكتاهدرا FeO ₆ بمساعدة الصورة أعلاه. في زوايا المجسم الثماني هي O ^2- ، بينما في وسطها الحديد ²⁺ أو الحديد ³⁺ (في حالة الحديد ₂ O ₃). تكشف الطريقة التي يتم بها ترتيب هذه الثماني الأوجه في الفضاء عن بنية الأكسيد.

ومع ذلك ، فإنها تؤثر أيضًا على كيفية ارتباطها. على سبيل المثال ، يمكن ضم اثنين من الأوكتاهدرا عن طريق لمس اثنين من رؤوسهما ، والتي يتم تمثيلها بجسر الأكسجين: Fe-O-Fe. وبالمثل ، يمكن ضم الثماني الوجوه من خلال حوافها (المجاورة لبعضها البعض). ثم يتم تمثيله بجسري أكسجين: Fe- (O) ₂ -Fe.

وأخيرًا ، يمكن أن تتفاعل الأوكتاهدرا من خلال وجوههم. وبالتالي ، سيكون التمثيل الآن بثلاثة جسور أكسجين: Fe- (O) ₃ -Fe. الطريقة التي ترتبط بها المجسمات الثماني قد تغير المسافات النووية الداخلية Fe-Fe ، وبالتالي ، الخصائص الفيزيائية للأكسيد.

الخصائص

أكسيد الحديد مركب بخصائص مغناطيسية. يمكن أن تكون هذه المواد المضادة أو الحديدية أو المغناطيسية الحديدية ، وتعتمد على تكافؤ الحديد وكيفية تفاعل الكاتيونات في المادة الصلبة.

لأن تراكيب المواد الصلبة شديدة التنوع ، كذلك تتنوع خصائصها الفيزيائية والكيميائية.

على سبيل المثال ، الأشكال المتعددة وهيدرات Fe ₂ O ₃ لها قيم مختلفة من نقاط الانصهار (والتي تتراوح بين 1200 و 1600 درجة مئوية) والكثافة. ومع ذلك ، تشترك في قابلية الذوبان المنخفضة بسبب Fe ³⁺ ، نفس الكتلة الجزيئية ، وهي بنية اللون وتذوب بشكل سيئ في المحاليل الحمضية.

التسمية

تحدد IUPAC ثلاث طرق لتسمية أكسيد الحديد. الثلاثة جميعها مفيدة للغاية ، على الرغم من أن علم اللاهوت النظامي بالنسبة للأكاسيد المعقدة (مثل Fe ₇ O ₉) يحكم على الآخرين بسبب بساطتهم.

التسمية المنهجية

يتم أخذ أعداد الأكسجين والحديد في الاعتبار ، وتسميتها ببادئات الترقيم اليونانية أحادية وثنائية وثلاثية وما إلى ذلك. ووفقا لهذه التسميات، الحديد ₂ O ₃ يسمى: ثلاثي أكسيد دي الحديد. وبالنسبة إلى Fe ₇ O _{9 ،} سيكون اسمه: سباعي الحديد غير أكسيد.

تسمية الأسهم

هذا يعتبر تكافؤ الحديد. إذا كان Fe ²⁺ ، فهو مكتوب أكسيد الحديد… ، وتكافئه بالأرقام الرومانية المحاطة بين قوسين. بالنسبة إلى Fe ₂ O _{3 ،} اسمها هو: أكسيد الحديد (III).

لاحظ أن Fe ³⁺ يمكن تحديده بالمجموع الجبرية. إذا كان O ² يحتوي على شحنتين سلبيتين ، وكان هناك ثلاث شحنتين ، فإن مجموعهما يصل إلى -6. لتحييد هذا -6 ، +6 مطلوب ، لكن هناك اثنان Fe ، لذلك يجب تقسيمهما على اثنين ، + 6/2 = +3:

2X (التكافؤ المعدني) + 3 (-2) = 0

عند حل X ببساطة ، يتم الحصول على تكافؤ الحديد في الأكسيد. ولكن إذا لم يكن X عددًا صحيحًا (كما هو الحال مع جميع الأكاسيد الأخرى تقريبًا) ، فهناك مزيج من Fe ²⁺ و Fe ³⁺.

التسميات التقليدية

تُعطى اللاحقة –ico إلى البادئة ferr- عندما يكون لـ Fe تكافؤ +3 ، و –oso عندما يكون تكافؤها 2+. وهكذا ، يسمى Fe ₂ O ₃: أكسيد الحديديك.

التطبيقات

الجسيمات النانوية

تشترك أكاسيد الحديد في طاقة تبلور عالية ، مما يجعل من الممكن تكوين بلورات صغيرة جدًا ولكن بمساحة سطح كبيرة.

لهذا السبب ، فإنهم يتمتعون باهتمام كبير في مجالات تقنية النانو ، حيث يقومون بتصميم وتوليف جزيئات الأكسيد النانوية (NPs) لأغراض محددة:

- كمحفزات.

- كمستودع للأدوية أو الجينات داخل الجسم

- في تصميم الأسطح الحسية لأنواع مختلفة من الجزيئات الحيوية: بروتينات ، سكريات ، دهون

- لتخزين البيانات المغناطيسية

أصباغ

نظرًا لأن بعض الأكاسيد مستقرة جدًا ، فيمكن استخدامها لصبغ المنسوجات أو إعطاء ألوان زاهية لأسطح أي مادة. من الفسيفساء على الأرضيات. دهانات حمراء وصفراء وبرتقالية (حتى خضراء) ؛ السيراميك والبلاستيك والجلود وحتى الأعمال المعمارية.

المراجع

1. أمناء كلية دارتموث. (18 مارس 2004). القياس الكيميائي لأكاسيد الحديد. مأخوذة من: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo et al. (8 سبتمبر 2016). اكتشاف Fe ₇ O ₉: أكسيد حديد جديد ذو بنية أحادية الميل معقدة. تم الاسترجاع من: nature.com
3. إم كورنيل ، يو شويرتمان. أكاسيد الحديد: التركيب والخصائص والتفاعلات والأحداث والاستخدامات.. وايلي- VCH. مأخوذة من: epsc511.wustl.edu
4. أليس بو. (2018). جسيمات أكسيد الحديد النانوية ، الخصائص والتطبيقات. مأخوذة من: sigmaaldrich.com
5. علي ، أ ، ظفر ، هـ ، ضياء ، م ، الحق ، إ. ، فول ، أر ، علي ، شبيبة ، حسين ، أ. (2016). توليف وتوصيف وتطبيقات وتحديات جسيمات أكسيد الحديد النانوية. تقنية النانو والعلوم والتطبيقات ، 9 ، 49-67.
6. أصباغ الجلشة. (2009). أكاسيد الحديد: التطبيقات. مأخوذة من: golchhapigments.com
7. صياغة كيميائية. (2018). أكسيد الحديد الثنائي. مأخوذة من: formulacionquimica.com
8. ويكيبيديا. (2018). أكسيد الحديد الثلاثي. مأخوذة من: